CN114667818B - 一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法 - Google Patents

Abstract

一种土壤入渗‑阻渗性能的可逆转换方法，属于农业土壤工程领域，首先采用斥水剂获得人工斥水土。然后将水气注排装置、土壤加热装置依序按要求固定在耕作土壤表面同时被斥水土覆盖，且斥水土表面宜超出上述装置最高处至少2cm。当需要促入渗时，通过水气注排装置将水注入斥水土中，直至斥水土表层有水渗出。此时斥水土斥水性消失，外界水分可顺利入渗至耕作土壤，满足作物生长等所需水分；当需要防蒸发时，水气注排装置抽水同时开启土壤加热装置，使斥水土中水分迅速降低。此时斥水土斥水性恢复，避免了耕作土壤的水分流失。该过程可反复实现，是一种可逆转换，无需更换，使用周期长，可应用于农业生产、水土保持等领域。

Description

一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法

技术领域

本发明属于农业土壤工程领域，具体涉及一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法。

背景技术

自然界中大部分土壤表现为亲水性，这有利于水分快速入渗。但长期过度施肥、有机质含量过高、经历火灾等土壤表现出斥水性，此时水分难以入渗土壤深处，农作物生长所需水分得不到持续供给，导致产量和品质降低。另一方面，具有斥水性的土壤相当于天然覆盖膜，可防止土壤水分向外蒸发逃逸，保持土壤中水分的长期稳定，可用于干旱地区的农业水土保持等领域。受此启发，若能采用技术方法制备人工斥水土，并使斥水土斥水性在一定条件下可发生“斥水-亲水”可逆转换，则可实现土壤“入渗-阻渗”可逆转换，为相关工程设计提供新的思路。例如：边坡工程中，有时需要雨水快速入渗以满足植被生长，有时又需要避免雨水入渗过大而引发深层滑动。农业工程中，既要保证水分和营养物质快速达到作物根部，而又避免其迅速蒸发而影响作物生长。本发明专利正是在这个背景下提出的，应用前景广阔。

发明内容

为解决农业土壤工程领域中，土壤有时需要雨水入渗、有时又要防止水分蒸发的需求，本发明的目的在于提供一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法。通过采用人工斥水土作为介质，结合水气注排装置和土壤加热装置来实现“入渗-阻渗”可逆转换。

为实现上述目的，通过以下技术方案来实现：

一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用斥水剂将重塑土壤斥水化，制得人工斥水土；

(2)将水气注排装置固定在耕作土壤表面，随后摊铺斥水土至水气注排装置最高位置时，再将土壤加热装置摊铺在斥水土表面并将土壤加热装置与上部接口固定，然后继续摊铺斥水土直至达到设计厚度；

(3)斥水土摊铺完成后，根据需求在表面摊铺薄层砂砾石，至此土壤入渗-阻渗可逆转换结构制作完成；

(4)调试水气注排装置和土壤加热装置，进行现场水源和电源测试工作，保证正常运行；

(5)需要促入渗时，打开注水口，将水注入水气注排装置，观察注水速率和注水压力的变化，当注水速率和注水压力均趋于稳定、斥水土表面有水渗出时，表明斥水土中渗流通道已贯通；关闭注水口，取斥水土表面部分区域进行蓄水试验，观察地表入渗情况。当出现明显入渗时，斥水土斥水性消失，能实现地表水稳定入渗的目的；

(6)需要防蒸发时，打开排水口将斥水土中多余水分抽出，同时开启土壤加热装置以进一步降低斥水土的含水率，同步监测斥水土中含水率和温度变化情况；当斥水土含水率降至斥水性能恢复的范围时，在斥水土表面部分区域开展斥水度检测，当出现明显阻渗时，斥水土斥水性恢复，能实现防止土壤水分蒸发的目的。

所述步骤(2)中，水气注排装置主要由五通接头、开孔圆管、堵帽组成的注排管道和注水抽水控制器组成，五通接头可设置多个，五通接头四个水平面端口均连接开孔圆管并相互连通形成管道回路，竖向端口连接开孔圆管并在顶部设置堵帽，五通接头和开孔圆管为ppr常规水管配件，接头和圆管尺寸根据工程需求灵活确定，圆管开孔孔径不小于2mm，对称开孔布置，并用非织造土工织物包裹作为反滤层，防止土壤颗粒堵塞小孔；注水抽水控制器主要包括注水抽水器(离心泵，可选)、压力控制器和废水回收设备等。注水抽水器为非必选设备，适用于场地附近有水源地的情况，此时可直接抽取后引入压力控制器，通过给定供水压力注入水气注排装置。若场地已有稳定供水源(自来水等)，可直接引入压力控制器注入水气注排装置。供水压力根据现场需求合理确定，保证斥水土在水渗出时结构不破坏为宜。废水回收设备与水气注排装置排水口相连，注水过程中阀门关闭，保证注水压力稳定。待斥水土表面有水渗出时，打开排水口将管道内水分排出，同时逐渐降低供水压力直至为零，待排水口无水流出时关闭排水口和注水口。

所述步骤(2)中，土壤加热装置主要由加热线圈、温度传感器、温度控制器和热保护装置等组成。加热线圈为非接触式电磁加热线圈，具有灵活走线的优点；温度传感器应置于被加热土壤外侧，实时监测被加热土壤层温度，数量灵活确定；温度控制器用于调整加热温度，根据温度传感器接收数据来实时调整加热功率；热保护装置用以防止过热而导致结构功能丧失。斥水土壤加热线圈直接摊铺在斥水土面层上。在靠近堵帽位置处，采用耐热绝缘材料将加热线圈与堵帽连接固定，避免加热线圈直接接触堵帽。

所述步骤(2)中，五通接头和开孔圆管以热熔方式现场连接。五通接头平面布置根据工程需求灵活确定，封闭端置于耕作土壤表面，四向端口用U型钉嵌入土壤固定。五通接头所接开孔圆管的竖向高度根据工程需求灵活确定，不宜超过斥水土设计摊铺厚度。竖向开孔圆管顶部用堵帽密封，堵帽材质与竖向开孔圆管应一致。

所述步骤(3)中，薄层砂砾石厚度应不小于2cm，主要目的是保护斥水土表面不被破坏，便于工作人员开展检测工作。

所述步骤(4)中，现场水源可以是天然水源，也可以是自来水等人工水源。电源应满足注水抽水控制器和土壤加热装置能正常使用，通常为220V交流电。

所述步骤(5)中，注水压力应逐级缓慢施加，最大注水压力以不发生渗透破坏为宜。当地表入渗较明显时，逐级缓慢卸压后再关闭进水阀门。

所述步骤(6)中，抽水时应打开排水阀门，直至无明显水量抽出时关闭抽水泵。

所述步骤(6)中，根据工程需求设定最大加热温度。土壤加热温度宜逐级增大，根据温度传感器反馈数据动态调整加热功率。斥水土的含水率可用便携式水分测定仪实时监测。当斥水土斥水性恢复后，关闭加热装置。

本发明方法是利用斥水土斥水性受土壤内部含水率的影响而实现的。当含水率增至一定时，斥水土内部渗流通道贯通，斥水性消失；当含水率减至一定时，斥水土内部渗流通道断开，斥水性恢复。该过程可反复实现，是一种可逆转换。相对于现有技术具有如下有益效果：

1)所选材料简单，价格低廉，生态环保；

2)水气注排装置和土壤加热装置结构简单，成本低廉；

3)斥水土斥水性可长期反复可逆转换，无需更换，使用周期长。

附图说明

图1是土壤入渗-阻渗性能的可逆转换结构制作步骤；

图2是土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法实施流程；

图3是土壤入渗-阻渗性能的可逆转换结构平面示意图；

图4是土壤入渗-阻渗性能的可逆转换结构截面示意图；

图5是水气注排装置中五通接头+开孔圆管的基本单元示意图；

图中：1、五通接头；2、开孔圆管；3、土壤加热装置；4、斥水土；5、耕作土壤；6、堵帽。

具体实施方式

当斥水土含水率增至一定程度时，斥水土内部渗流通道贯通，斥水性消失；当斥水土含水率减至一定程度时，斥水土内部渗流通道断开，斥水性恢复。该过程可反复实现，是一种可逆转换。

根据以上原理，如图1至图2所示，本发明设计了如下实施步骤：

(1)根据工程需求，事先制好水气注排装置和土壤加热装置；

(2)根据工程需求，将水气注排装置固定在耕作土壤表面；

(3)将斥水土摊铺至水气注排装置最高位置时，再将土壤加热装置直接摊铺在斥水土面层上，然后继续摊铺斥水土，直至达到设计厚度；

(4)斥水土摊铺完成后，根据需求可在表面摊铺薄层砂砾石，至此土壤入渗-阻渗性能的可逆转换结构制作完成；

(5)调试水气注排装置和土壤加热装置，进行现场水源和电源测试工作，保证正常运行；

(6)需要促入渗时，打开注水口，将水注入水气注排装置，观察注水速率和注水压力的变化。当注水速率和注水压力均趋于稳定、斥水土表面有水渗出时，表明斥水土中渗流通道已贯通。进一步地，关闭注水口，取斥水土表面部分区域进行蓄水，观察地表入渗情况。当出现明显入渗时，斥水土斥水性消失，能实现地表水稳定入渗的目的；

(7)需要防蒸发时，打开排水口将斥水土中多余水分抽出。同时开启土壤加热装置以进一步降低斥水土中含水率，同步监测斥水土中含水率和温度变化情况。当斥水土含水率降至斥水性能恢复的范围时，在斥水土表面部分区域开展斥水度检测，当出现明显阻渗时，斥水土斥水性恢复，能实现防止土壤水分蒸发的目的。

土壤入渗-阻渗性能的可逆转换结构设置如图3至图5所示，水气注排装置固定在耕作土壤5表面；斥水土4摊铺至水气注排装置最高位置时，再将土壤加热装置3直接摊铺在斥水土面层上，水气注排装置主要由五通接头1、开孔圆管2、堵帽6组成的水气注排管道和注水抽水控制器组成。五通接头1可设置多个，五通接头1四个水平面端口连接开孔圆管2并相互连通形成管道回路，竖向端口连接开孔圆管并在顶部设置堵帽6，注水抽水控制器用于控制水气注排管道的注水与排水，五通接头和开孔圆管为ppr常规水管配件，接头和圆管尺寸根据工程需求灵活确定，圆管开孔孔径不小于2mm，对称开孔布置，并用非织造土工织物包裹作为反滤层，防止土壤颗粒堵塞小孔；五通接头1和开孔圆管2以热熔方式现场连接。五通接头1平面布置根据工程需求灵活确定，封闭端置于耕作土壤表面，四向端口用U型钉嵌入土壤固定。五通接头1所接开孔圆管2的竖向高度根据工程需求灵活确定，不宜超过斥水土设计摊铺厚度。竖向开孔圆管2顶部用堵帽6密封，堵帽材质与竖向开孔圆管应一致。注水抽水控制器连接水气注排管道，主要包括注水抽水器(离心泵，可选)、压力控制器和废水回收设备等。注水抽水器为非必选设备，适用于场地附近有水源地的情况，此时可直接抽取后引入压力控制器，通过给定供水压力注入水气注排装置。若场地已有稳定供水源(自来水等)，可直接引入压力控制器注入水气注排装置。供水压力根据现场需求合理确定，保证斥水土在水渗出时结构不破坏为宜。废水回收设备与水气注排装置排水口相连，注水过程中阀门关闭，保证注水压力稳定。待斥水土表面有水渗出时，打开排水口将管道内水分排出，同时逐渐降低供水压力直至为零，待排水口无水流出时关闭排水口和注水口。

土壤加热装置主要由加热线圈、温度传感器、温度控制器和热保护装置等组成。加热线圈为非接触式电磁加热线圈，具有灵活走线的优点；温度传感器应置于被加热土壤外侧，实时监测被加热土壤层温度，数量灵活确定；温度控制器用于调整加热温度，根据温度传感器接收数据来实时调整加热功率；热保护装置用以防止过热而导致结构功能丧失。

所述步骤(3)中，斥水土壤加热线圈直接摊铺在斥水土面层上。在靠近堵帽位置处，采用耐热绝缘材料将加热线圈与堵帽连接固定，避免加热线圈直接接触堵帽。

所述步骤(4)中，薄层砂砾石厚度应不小于2cm，主要目的是保护斥水土表面不被破坏，便于工作人员开展检测工作。

所述步骤(5)中，现场水源可以是天然水源，也可以是自来水等人工水源。电源应满足注水抽水控制器和土壤加热装置能正常使用，通常为220V交流电。

所述步骤(6)中，注水压力应逐级缓慢施加，最大注水压力以不发生渗透破坏为宜。当地表入渗较明显时，逐级缓慢卸压后再关闭进水阀门。

所述步骤(7)中，抽水时应打开排水阀门，直至无明显水量抽出时关闭抽水泵。

所述步骤(7)中，根据工程需求设定最大加热温度。土壤加热温度宜逐级增大，根据温度传感器反馈数据动态调整加热功率。斥水土的含水率可用便携式水分测定仪实时监测。当斥水土斥水性恢复后，关闭加热装置。

以上所述是本发明的优选实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用斥水剂将重塑土壤斥水化，制得人工斥水土；

(2)将水气注排装置固定在耕作土壤表面，随后摊铺斥水土至水气注排装置最高位置，再将土壤加热装置摊铺在斥水土表面并将土壤加热装置与水气注排装置的上部接口固定，然后继续摊铺斥水土，将加热装置与水气注排装置完全覆盖；水气注排装置主要由五通接头、开孔圆管、堵帽组成的注排管道和注水抽水控制器组成，五通接头可设置多个，五通接头四个水平面端口均连接开孔圆管并相互连通形成管道回路，竖向端口连接开孔圆管并在顶部设置堵帽；五通接头和开孔圆管为ppr常规水管配件，圆管开孔孔径不小于2mm，对称开孔布置，并用非织造土工织物包裹作为反滤层；五通接头与开孔圆管以热熔方式连接，四向端口用U型钉嵌入土壤固定；注水抽水控制器用于控制注水与排水；土壤加热装置主要由加热线圈、温度传感器、温度控制器和热保护装置组成，加热线圈为非接触式电磁加热线圈直接摊铺在斥水土面层上，温度传感器置于被加热土壤外侧，在靠近堵帽位置处，采用耐热绝缘材料将加热线圈与堵帽连接固定，避免加热线圈直接接触堵帽；

(3)斥水土摊铺完成后，根据需求在表面摊铺薄层砂砾石，至此土壤入渗-阻渗可逆转换结构制作完成；

(4)调试水气注排装置和土壤加热装置，进行现场水源和电源测试工作，保证正常运行；

(5)需要促入渗时，打开注水口，将水注入水气注排装置，观察注水速率和注水压力的变化，当注水速率和注水压力均趋于稳定、斥水土表面有水渗出时，表明斥水土中渗流通道已贯通；关闭注水口，取斥水土表面部分区域进行蓄水试验，观察地表入渗情况，当出现明显入渗时，斥水土斥水性消失，能实现地表水稳定入渗的目的；

(6)需要防蒸发时，打开排水口将斥水土中多余水分抽出，同时开启土壤加热装置以进一步降低斥水土的含水率，同步监测斥水土中含水率和温度变化情况；当斥水土含水率降至斥水性能恢复的范围时，在斥水土表面部分区域开展斥水度检测，当出现明显阻渗时，斥水土斥水性恢复，能实现防止土壤水分蒸发的目的。

2.根据权利要求1所述的一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，注水抽水控制器包括注水抽水器或是离心泵、压力控制器和废水回收设备；废水回收设备与水气注排装置排水口相连。

3.根据权利要求1所述的一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，所述步骤(3)中，薄层砂砾石厚度不小于2cm。

4.根据权利要求1所述的一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，所述步骤(4)中，现场水源可以是天然水源，也可以是自来水等人工水源；电源应满足注水抽水控制器和土壤加热装置能正常使用，电源使用220V交流电。

5.根据权利要求1所述的一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，所述步骤(5)中，注水压力应逐级缓慢施加，最大注水压力以不发生渗透破坏为宜，当地表入渗较明显时，逐级缓慢卸压后再关闭进水阀门。

6.根据权利要求1所述的一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，所述步骤(6)中，抽水时应打开排水阀门，直至无明显水量抽出时关闭抽水泵。

7.根据权利要求1所述的一种土壤入渗-阻渗性能的可逆转换方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据工程需求设定最大加热温度，土壤加热温度宜逐级增大，根据温度传感器反馈数据动态调整加热功率，斥水土的含水率可用便携式水分测定仪实时监测，当斥水土斥水性恢复后，关闭加热装置。

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